通信原理教学课件：第3章 模拟传输

1、2022/7/151/129通信原理第3章 模拟传输2/1292022/7/15本章讲授传统的模拟通信理论与调制/解调技术。同学们作为初学者注意体会实际环境与工程背景，理解理论与技术思想。 主要内容有： 掌握：常规幅度调制（AM）、抑制载波双边带调制（DSB-SC）及单边带调制（SSB）的信号特点、频带与带宽、解调方法、基本参数；AM、DSB和SSB系统的噪声性能指标及其相干解调系统的分析方法。模拟角度调制中调相（PM）和调频（FM）的基本概念、信号特征、带宽计算、调制指数；频分复用（FDM）技术。3/1292022/7/15 理解：非相干解调的门限效应；典型系统的性能与应用特点、系统对比、典

2、型系统（如立体声FM）、PM和FM的频谱特性（正弦调制下）、PM和FM的接收方法与噪性能指标。 了解：残留边带调制（VSB），AM非相干解调的性能分析方法、PM与FM性能分析方法、预加重/去加重问题；典型应用系统。4/1292022/7/15信源调制器发射机信道接收机解调器信宿噪声发送设备接收设备基带信号基带信号调制信号已调带通信号带通信号模拟通信系统信道中传输模拟波形的通信系统。 5/1292022/7/15调制器调制信号已调信号幅度调制角度调制都是 的函数未调载波6/1292022/7/15 调制的目的：（1）将调制信号（基带信号）转换成适合于信道传输的已调信号（频带信号）；（2）实现信道

3、的多路复用，提高信道利用率；（4）实现传输带宽与信噪比之间的互换。7/1292022/7/15本章内容-模拟信号的调制、解调3.1 幅度调制3.2 模拟角度调制3.3 幅度调制系统的抗噪声性能3.4 *角度调制系统的抗噪声性能3.5 各类通信系统的比较与应用 8/1292022/7/153.1 幅度调制(Amplitude Modulation)9/1292022/7/15已调带通信号的频谱是基带信号频谱的简单搬移幅度调制-用信息信号去迫使高频载波瞬时幅度变化。模拟常规调幅（AM）抑制载波双边带调幅（DSB-SC）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）信号10/1292022/7/15 (

4、Conventional AM)3.1.1 常规调幅AM 1表达式： 调制：复包络:11/1292022/7/15（常规调幅: ） 本质:波形:12/1292022/7/15过调幅：载波反相点13/1292022/7/15定义调幅指数： ：常规调幅其中：临界调制 ：过调制波形如图（b）所示。调幅指数影响功率分配modulation index14/1292022/7/152. 频域分析 频谱： 频谱图：Upper sidebandLower sideband15/1292022/7/153. 功率与效率 归一化功率：离散载波功率边带功率（上下两个边带）一般：16/1292022/7/15调制效

5、率：17/1292022/7/15例：对于调福指数为100的AM信号1. 周期方波调制信号：2. 单频正弦波调制信号：18/1292022/7/154. 接收 常规调幅常用二极管包络检波器解调： 非相干解调：接收机不需要产生与接收信号中的载波同频同相的本地载波的接收方式。 接收机简单，成本低廉。19/1292022/7/15总结：AM 信号的特点: 包络检波器 用于检测 AM（常规调幅） 信号（接收机简单），这是离散载波项的功劳。 AM信号的功率效率 很低，因为离散载波项浪费功率。 AM 信号的带宽是 信息信号 m(t)带宽的2倍. 上下两个边带完全对称，带宽浪费一半。 乘积检波器 用于检测

6、AM（常规调幅、过调幅） 信号，接收机复杂，这是调幅只用常规调幅的原因。20/1292022/7/15非常简单实用！但效率很低！AM要点：21/1292022/7/15例3.1 中波AM广播系统的频率范围5401600kHz，其中每个电台可占用10kHz带宽，调制方式为常规AM，试估算音频信号带宽。 解：由题意，已调信号带宽为故音频信号带宽大致为作业：2、3 22/1292022/7/153.1.2 抑制载波双边带调幅 Double-Sideband Suppressed Carrier (DSB-SC)1. DSB-SC信号 23/1292022/7/15载波反相点波形：24/1292022

7、/7/152. 频域分析 频谱：Upper sidebandLower sideband25/1292022/7/153. 功率与效率调制效率: 归一化功率: 26/1292022/7/154. 发射和接收发射（调制）：接收（解调）：相干解调（接收机本地载波与接收载波同频同相）LPF27/1292022/7/15LPFAfter LPF:相干解调原理：乘积检波器28/1292022/7/15Discuss:同步检波相干解调乘积检波29/1292022/7/15接收机产生本地相干载波的方法：1. 发送端发射小功率离散载波（导频单音信号）2.接收机将接收的DSB信号作非线性变换，再用锁相环提取同频

8、同相载波注意：常规AM也可以用相干解调获取基带信息信号30/1292022/7/15总结：DSB 信号的特点: 乘积检波器用于检测 DSB信号，乘积检波器较包络检波器昂贵 。 DSB信号的功率效率 高。 DSB信号的带宽是 信息信号 m(t)带宽的2倍. 上下两个边带完全对称，带宽浪费一半。31/1292022/7/15Single Sideband signal (SSB)3.1.3 单边带调幅（SSB） 1. SSB信号及滤波法 只取DSB-SC信号中的上边带或下边带分量。 上边带信号：，频谱： 下边带信号： ，频谱：(1) SSB信号滤波法产生 32/1292022/7/15保留上边带的

9、边带滤波器：保留下边带的边带滤波器： 1133/1292022/7/1534/1292022/7/15单边带信号的多级滤波法形成:H1( f )H2( f )H3( f )35/1292022/7/15单边带信号的多级滤波法形成:36/1292022/7/15（2）单边带信号表达式：SSB 信号的复包络: 37/1292022/7/152. SSB信号接收乘积检波器（相干接收机）LPF：以基带信号 的最高频率为截止频率的低通滤波器。 38/1292022/7/153. * SSB 相移法产生 39/1292022/7/154. 功率 归一化平均功率调制效率: 40/1292022/7/15例：

10、 SSB-AM 发射机被一正弦信号 调制, 其中 。(a) 计算 。(b) 确定下边带 SSB 信号的表达式。(c)确定SSB 信号的归一化平均功率。(d) 确定SSB 信号的峰值。(e)确定SSB 信号的均方根（ rms）值。解: 41/1292022/7/1542/1292022/7/15总结：SSB 信号的特点: 乘积检波器用于检测 SSB信号。而且SSB信号的产生也比AM、DSB复杂。 SSB信号的功率效率 高。 SSB信号的带宽等于信息信号 m(t)的带宽。只有 AM、DSB带宽的一半。作业：4、12旧书作业：4、1143/1292022/7/153.1.4 残留边带调幅 (VSB)

11、1. 用滤波法产生 VSB 信号令(Vestigial Sideband)44/1292022/7/15边带滤波器容易实现，VSB系统成本低廉45/1292022/7/15DSB、SSB和VSB信号的频谱 M( f )SDSB( f )SSSB( f )SVSB( f )ffff0000fc-fcfc-fcfc-fc都是基带信号频谱的简单平移 B46/1292022/7/15为了恢复调制信号 M( f ) , HV( f ) 必须满足互补对称性:47/1292022/7/153.2 模拟角度调制 Phase Modulation Frequency Modulation ( PM and FM

12、 )48/1292022/7/153.2.1角调制的基本概念 角调信号表达式：随 变化。 1. 相位调制与频率调制的概念 (PM and FM)（1）相位 和 频率瞬时相位:对 的瞬时相位偏移 :：载波频率 非线性调制，已调带通信号的谱不再是基带信号谱的简单搬移49/1292022/7/15瞬时频率:瞬时频率偏移:instantaneous50/1292022/7/15(2) 相位调制（PM）相位偏移正比于调制信号其中: 相偏常数PM 信号 表达式:(调相器的灵敏度)其含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量51/1292022/7/15（3）调频 (FM)其中: 频偏常数（调频器灵敏度

13、）频率偏移正比于调制信号 。调频信号表达式：其含义是单位调制信号幅度引起FM信号的频率偏移量相位偏移正比于调制信号 的积分。52/1292022/7/15例3.2 图示方波与锯齿波信号的调相与调频信号波形。 解： 恒包络53/1292022/7/152. FM 、 PM 之间的转换PMFM(b) 直接调相和间接调相FMPM(a) 直接调频和间接调频54/1292022/7/153. 最大频偏、最大相偏与调制指数 (1) 最大相偏（峰值相偏）：调角信号瞬时相位偏移的最大值。 (2) 最大频偏（峰值频偏） ：角调信号的瞬时频率偏移的最大值。 55/1292022/7/15例3.3 若消息信号为 它

14、既可对 调频，又可调相。试确定调频信号和调相信号的表达式。 单频信号56/1292022/7/15解：PM调制：调相信号的表达式：57/1292022/7/15FM调制：所以调频信号和调相信号的表达式：58/1292022/7/15所以调频信号和调相信号的表达式：对于单频正弦调制信号，其调频、调相的最大相偏称为其调制指数1. 调相指数：2. 调频指数：PM信号的最大相偏FM信号的最大相偏B为调制信号带宽59/1292022/7/15 3.2.2 角度调制信号的频谱特性 1. 基本结论 角调信号:复包络:非 的线性函数是 的线性函数不再是基带信号谱的简单搬移60/1292022/7/15角调信号

15、带宽估计，卡森规则：已调信号带宽，：基带信号带宽， 定义频偏比 :时，常用公式。 角调信号的全部功率的98在卡森带宽内61/1292022/7/15对于单频正弦信号，（1）PM信号的带宽与基带信号的关系（2）FM信号的带宽与基带信号的关系 幅度调制的信号带宽由调制信号的带宽决定。角度调制的带宽和调制信号带宽、幅度有关，和调制器的参数有关。传输同一基带信号，角度调制的已调信号带宽可宽可窄。FM信号的带宽较易控制 讨论：62/1292022/7/15例3.4 实际FM广播系统的频率范围为 88108MHz，电台频率间隔为200kHz。音频信号的最高频率设定为15kHz，调制方式为FM，最大频偏为7

16、5kHz。试计算传输带宽与系统的调制指数。解：63/1292022/7/15例3.5 已知某单频调频波的振幅为10V，瞬时频率为 试求：（1）信号表达式与 ；（2）若频率 fm 提高到 ，求 。 解：（1） 基带信号带宽： 64/1292022/7/15 65/1292022/7/15（2）若 （不变） （变为一半） （变化不大） 66/1292022/7/15例3.6 给定某调相信号 求：（1）信号带宽 ；（2）若频率 fm 提高到 ，求 。 解：基带信号带宽：（1），于是，（2），于是，带宽成倍增长 旧书作业：17、19、21作业：18、20、2267/1292022/7/152. *正弦

17、信号角度调制的谱分析设68/1292022/7/15角调制信号的频谱(正频部分)：n - 第n个频率分量第一类 n 阶 贝赛尔函数n为 n次下边频。n为 n次上边频。 =2.40; =5.52; 69/1292022/7/15图3.2.4 贝塞尔函数曲线70/1292022/7/15正频：71/1292022/7/1572/1292022/7/15 角调信号的功率：角调信号: MF、MP不改变总功率（1） ：窄带角调制； 变大时为宽带角调制；（）图中的 是以Carson公式估算的结果，准确地反映了信号的带宽， 对应的功率包括约98%的功率；（3）载波的强度由 决定，选择合适的 ，可使载波功率减

18、小或为零。（4） 为单一频率，由它产生的FM或PM信号包含无穷多个边频分量，产生了新的频率分量，该调制为非线性调制。 总结:73/1292022/7/153.2.3 *窄带角度调制角调信号：若： ，则称为窄带角调制此时：角调信号可作如下近似：恒包络包络有微小起伏74/1292022/7/15未调时，调制后，3.2.4 调角信号的产生 1. 直接调频法 用调制信号直接改变载波振荡器频率的方法。原理框图： 倍频器VCO75/1292022/7/153.2.5 调角信号的接收 FM的非相干接收机框图： 低通滤波器限幅及BPF微分器包络检波器sFM( t )sd( t )so( t )鉴频器解调不必产

19、生同步的本地参考载波，是非相干方法。 （K为常数）接收机简单，成本低廉。76/1292022/7/153.3 幅度调制系统的抗噪声性能 结合各种抗噪声性能分析，同学们注意体会运用数学知识定量分析通信过程，改进与优化系统的思想。77/1292022/7/153.3.1 模拟传输中的噪声问题1. 基带传输系统： 直接传输模拟消息信号的系统。 LPFB带宽为 BAWGN信道接收机LPF平滑滤波r( t )ro( t )Pm - 接收信号功率78/1292022/7/15白噪声通过理想低通系统后输出噪声功率：白噪声通过理想带通系统后输出噪声功率：79/1292022/7/152. 频带传输系统PS -

20、 接收信号功率解调器输入信噪比：解调器输出信噪比：BPFBW=BTBW =B信道解调调制BW =BT80/1292022/7/15为比较各种频带传输系统的总体性能，通常与基带传输系统作比较。假定：（1）实际系统与虚拟系统接收到的信号功率 相同；（2）实际系统与虚拟系统的噪声功率谱密度 相同。 （3）各个系统具有相同的基带信号带宽 B解调增益：反映某种解调器对信噪比的改善能力。 基带系统81/1292022/7/15基带系统信噪比与解调器输入信噪比（注意到 ）之间的关系：基带系统信噪比：82/1292022/7/15系统增益：反映某一调制解调系统相对于基带传输系统的总体增益，定义为 对比 ：了解

21、不同频带传输系统的解调器对信噪比的改善；对比 ：了解不同频带传输系统之间在信噪比上的整体优劣。即比较不同频带传输系统抗噪性能的优劣 83/1292022/7/153.3.2 常规AM系统（非相干解调） BPFBT=2B包络检波器84/1292022/7/1585/1292022/7/15于是，输入信噪比：输出信噪比：（如15dB以上）出现门限效应的输入信噪比称为门限值，约为0dB(1)输入信噪比 :(2)输入信噪比 ，则 很小，通信无法正常进行。表现为一个“门限效应”。 86/1292022/7/15输出信噪比的推导：包络检波器输出：输入大信噪比时:87/1292022/7/15隔直流后：输入

22、小信噪比时:信号被噪声淹没，通信无法进行88/1292022/7/15解调增益：对调制度达100%的正弦消息信号， 对调制度达100%的正弦消息信号，AM系统的抗噪声能力较差。 系统增益：89/1292022/7/153.3.3 DSB-SC与AM（相干解调）系统 BPFBW=2BLPFBW=B乘积检波器90/1292022/7/1591/1292022/7/15DSB： ，AM： ，输入信噪比分别为， 输入信噪比:92/1292022/7/15接收信号 ： 输出信噪比:输出信号分量 ：93/1292022/7/15低通隔直流后:输出噪声分量 ：94/1292022/7/15LPF后:输出信噪

23、比为，95/1292022/7/15结论： 96/1292022/7/153.3.4 *SSB系统BPFBW=BLPFBW=B乘积检波器97/1292022/7/15 输入信噪比:，98/1292022/7/15接收信号 ： 输出信噪比:解调后：99/1292022/7/15输出信噪比为， ，SSB系统总体增益与DSC-SC系统是一样的，虽然其解调增益只是DSC-SC的一半。SSB信号占用的带宽要窄一半，信道的利用更为充分。 100/1292022/7/15BPFBW=BTLPFBW=B乘积检波器总结：对于几种调幅信号：101/1292022/7/15对于几种调幅信号的相干解调，当本地载波为：

24、1. 解调器输出信号分量都为：2. 解调器输入输出噪声功率都是：3. 当本地载波为： ，k 值影响输出信号功率和噪声功率，但不影响输出信噪比，也不影响解调增益和系统增益。102/1292022/7/15总结103/1292022/7/15试求：（1）接收机的输入信号功率；（2）接收机的输出信号功率（3）若叠加于DSB信号的白噪声具有双边功率谱密度为 ，设解调器的输出端接有截止频率为 的理想低通滤波器，那么输出信噪比是多少。 习题3.13 对某一信号用DSB进行传输，设加至发射机的调制信号 m(t) 之功率谱密度为： 104/1292022/7/15 相干解调之后，接收机的输出信号 ，因此输出信

25、号功率 设DSB已调信号 ，则接收机的输入信号功率 解： 105/1292022/7/15 解调器的输出信噪功率比 106/1292022/7/15例: 考虑如下图所示接收机，设 BPFBW=BLPFBW=B乘积检波器求 .107/1292022/7/15解 :由题 ，(旧书)作业：13、15 、26作业：14、16 、27108/1292022/7/153.4 角度调制系统的抗噪声性能 109/1292022/7/153.4.1 FM与PM系统的抗噪声性能 角度调制系统用非相干解调，因而存在门限效应。其正常工作所需的输入信噪比常常在10dB以上(大信噪比)。此时其中， 是 的导函数的峰值。1

26、10/1292022/7/15考虑单频正弦波 ，其（1）FM信号： ，则（2）PM信号： ，则且， 值越大，FM与PM抗干扰性能越好，但 值增加会导致门限电平提高，故 值增加有上限。111/1292022/7/15DSBSSBAMFM(S/N)i (dB)(S/N)o (dB)图 各种模拟调制系统的性能曲线 112/1292022/7/15例3.7 标准FM广播与模拟TV伴音系统是两个典型的调频系统。两系统中，基带信号带宽同为15kHz，最大频偏分别为75kHz 与25kHz。试分别计算它们的调制指数与抗噪性能。解： （1）标准FM广播系统考虑的正弦调制（2）模拟TV伴音系统考虑的正弦调制11

27、3/1292022/7/153.5 各类通信系统的比较与应用114/1292022/7/15有效性是指在给定的信道中单位时间内传输的信息内容的多少。可靠性是指接收信息的准确程度。 3.5.1 各类通信系统的比较 比较前提：各个系统具有相同的基带信号带宽 B 各个系统的信道噪声具有相同的 PSD(N0) 各个系统具有相同的接收信号功率 Pr 。115/1292022/7/15BPFBW=BTBW =B信道解调调制BW =BTLPFB带宽为 BAWGN信道接收机Pr - 接收信号功率116/1292022/7/15调制 带宽实现线性调制非线性调制VSBSSBDSBAM111中等最复杂复杂最简单FM

28、PM复杂简单表3.5.1 模拟调制系统的带宽与噪声性能注：表中AM信号的 是幅度要保证不发生过调制。117/1292022/7/15基带(S/N)baseband(dB)(S/N)o (dB)FM=1FM=2FM=5FM=10图3.4.1 FM系统相对于基带系统的输出信噪比（以正弦调制为例）DSB、SSB118/1292022/7/15结论： （1）带宽上： （2）抗噪声性能： 注意：1. AM、FM系统有效性和可靠性之间的互换；2. AM、VSB、FM三个系统实现容易，成本低廉，因而在广播系统中得到广泛应用。119/1292022/7/15调制技术分为： 线性调制：满足以下线性关系的调制，非

29、线性调制：不满足线性关系的调制。 幅度调制均为线性调制；角度调制为非线性调制。 120/1292022/7/15解：基带信号带宽 ，有 以及，121/1292022/7/15对于AM系统，故对于FM系统，可见，两系统输入信噪比都大于10，都工作在门限以上发送功率122/1292022/7/15故又123/1292022/7/15 目的: 充分地利用信道资源 复用方法 : FDM (频分复用) Frequency Division Multiplexing TDM (时分复用) Time Division Multiplexing CDM (码分复用) Code Division Multiplexing3.5.2 频分多路复用 多路复用：将多路彼此不相关的消息信号合并为一个复合的群信号，共同在一条信道上进行通信。 FDM 是在一个宽带信道上同时传输多路信息的技术。124/1292022/7/15 FD